单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第一章 飞行动力学,第五节 侧向气动力及气动力矩,北京航空航天大学自动化学院 张平,2012,，,3,第一章 飞行动力学第五节 侧向气动力及气动力矩北京航空航,一、侧力,Y,描述纵向运动的变量：,，,q,，,V,，,e,描述横侧向运动的变量：,，,p,，,r,，,a,，,r,飞机横航向的力与力矩：,侧力,Y,，指向机体,oy,轴,滚转力矩,L,，绕机体,ox,轴转动,偏航力矩,N,，绕机体,oz,轴转动,侧力与侧向力矩是由于飞机横侧向结构不对称产生的,飞机总气动力,沿机体,oy,轴的分力,称为侧力,Y,侧力：,Y=,C,y,QS,w,，,Q,动压，,S,w,机翼面积,，,Cy,侧力系数,一、侧力Y描述纵向运动的变量：，q，V，e,1.,侧滑角,引起的侧力,0,，在,垂直尾翼,上产生侧力（,与,产生升力原理相同,）,亚音速飞机机身没有侧力,超音速飞机机身的锥形头部有侧力，,故超音速飞机的侧力是机头与垂直尾翼侧力之和,产生的,侧力：,Y()=1/2V,2,S,w,C,Y,侧力导数,:,C,Y,=,C,y,/,右侧滑时,角为正，此时产生的侧力为负,(,与,oy,轴反向,),侧力的方向在气流指向机身的方向上,侧力的大小与气流在飞机对称面上的分量成比例,1.侧滑角引起的侧力0，在垂直尾翼上产生侧力（与产生,2.,偏转方向舵,r,引起的侧力,r,0,，,是为了,得到航向操纵力矩，但同时在飞机质心上也引起了侧力（,与偏转升降舵产生升力相同,）,偏转方向舵,r,产生,的侧力,方向舵侧力导数：,C,Y,r,=,C,Y,/,r,一般飞机的,C,Y,r,数值不大，可忽略不计。,2.偏转方向舵r引起的侧力 r0，是为了得到航向操纵力,3.,滚转角速度,p,引起的侧力,飞饥绕机体轴,ox,轴的滚转角速度,p0,时，在立尾上有附加侧向速度，有局部侧滑角,滚转角速度,P,产生的侧力：,式中,:,式中：叫做,无因次,滚转角速率，没有单位,一般飞机的,C,yp,为负值，数值很小，可忽略不计,3.滚转角速度p引起的侧力 飞饥绕机体轴ox轴的滚转角速度p,4.,偏航角速度,r,引起的侧力,飞机绕机体,oz,轴的偏航角速度,r,0,时，,在立尾上有局部侧滑角，,产生侧力,超音速飞机的机身头部在,r,0,时也会,产生侧力,r,引起的全机侧力,式中：,无因次偏航角速度,一般飞机,C,yr,很小，可忽略不计,飞机的侧力主要由侧滑角产生,主要产生在垂直尾翼上,4.偏航角速度r引起的侧力 飞机绕机体oz轴的偏航角速度r,L,绕机体,ox,轴的力矩，滚转力矩,升力表达不同,L,lift,N,绕机体,oz,轴的力矩，偏航力矩,侧向变量,，,p,，,r,，,a,，,r,都会产生,L,和,N,侧向力矩,L 绕机体ox轴的力矩，滚转力矩侧向力矩,二、绕,ox,轴的滚转力矩,L,1.,侧滑角,引起的滚转力矩,L,主要由机翼和立尾产生（侧力），,L,的大小与立尾和机翼的形状有关,1,）立尾的作用,0,时，立尾上有侧力，侧力与,ox,轴有距离，产生滚转力矩,L,大小与,有关,二、绕ox轴的滚转力矩L1.侧滑角引起的滚转力矩L,1.,侧滑角,引起的滚转力矩,L,（续）,2,）机翼上,(,下,),反角,的作用,0,时，空速,V,分解为,Vcos,和,Vsin,不考虑,Vcos,（纵向气流）,Vsin,分解为沿机翼流动和垂直机翼流动的分气流，其中：,垂直翼面的气流为,Vsinsin,（,右翼向上,）,和,-Vsinsin,（,左翼向下,）,向上的气流速度使右翼局部迎角，,产生升力,向下的气流速度使左翼局部迎角，升力，,左右合力产生负,L,大小与,有关,反之，下反角产生正,L,上反角,-L,1.侧滑角引起的滚转力矩L（续）2）机翼上(下)反角的作,3),机冀后掠角,1/4,的作用,翼尖向后掠称为后掠角,后掠角的定义,:,在翼弦平面上把各翼剖面翼弦线上,25%,的点连成直线，称为,1/4,弦线，此直线与机体轴,oy,轴间的夹角,1/4,3)机冀后掠角1/4 的作用翼尖向后掠称为后掠角 1/4,3),机冀后掠角,1/4,的作用,0,，速度,V,在左右两半翼作如下的分解,右翼：平行于,1/4,弦线的分速为：,垂直于,I/4,弦线的分速为：,左翼：平行于,1/4,弦线的分速为：,垂直于,I/4,弦线的分速为：,由于右翼的有效分速大于左翼，,使右翼上的,升力,大于左翼，,因而形成的,滚转力矩,L,为负值，与,有关,相当于右翼后掠小，升力大,C,l,过大，稳定性差，,箭形机翼往往有下反角,3)机冀后掠角1/4 的作用0，速度V在左右两半翼作如,4),机翼机身气动干扰的作用,0,时，上单翼飞机翼身连接处的右侧，因气流受阻使压力增加，左侧气流因有分离旋涡而使压力降低。,绕流机身的气流使靠近机身右翼根部的迎角增加，左翼根部的迎角减小，两种因素都产生负滚转力矩,中单翼飞机的此项气流干扰,效果很小，可忽略不计,全机的,C,l,为上述各项作用的总和，称为飞机,横滚静稳定导数,式中,4)机翼机身气动干扰的作用0时，上单翼飞机翼身连接处的右,飞机横滚静稳定性的意义,飞行方向从纸面垂直向外。平衡时升力,L=,重力,G,设因某种干扰使飞机有滚转角,+,（右滚），,升力倾斜,升力与重力的合力形成附加侧力，使飞机向右侧滑，侧滑角,0,由于,C,l,0,时，左翼向前转，相对空速增加，故升力增加，,右翼向后转，相对空速减小，故升力减小，形成正滚转力矩。,r,0,时立尾的局部侧滑角为负，将产生正的侧力。由于一般立尾在机身之上，因而亦产生正滚转力矩。,交叉动导数,式中：,交叉动导数,无因次偏航角速度,5.偏航角速度r 引起的L交叉动态力矩 偏航角速度r0,三、绕,oz,轴的偏航力矩,N,1.,侧滑角,引起的,N,航向静稳定力矩,0,，立尾上有侧力,N,，产生正偏航力矩,机身有不稳定偏航力矩；,箭形机翼产生正偏航力矩，起稳定作用；,超音速飞机头部有侧力，产生不稳定的偏,航,力矩；,侧滑角,产生的偏航力矩,N,：,式中；,航向静稳定导数,三、绕oz轴的偏航力矩N1.侧滑角引起的N 航向静稳定,1.,侧滑角,引起的,N,航向静稳定力矩,（续）,航向静稳定导数,C,n,0,N=,C,n,具有航向静稳定性的飞机在受到侧风扰动后，,机头,向着消除侧滑角的方向偏转,静稳定,并不能回到原有航线的方向，,使机头转到风速的方向,也叫,做,风标稳定性,与纵向,C,m,的静稳定导数意义相同,1.侧滑角引起的N 航向静稳定力矩（续）航向静稳定导数,2.,副翼偏转角,a,引起的,N,操纵交叉力矩,偏转副,翼,是为了操纵滚转，却引起了偏航力矩，,操纵耦合,a,0,，右翼下偏，右翼弯度加大，升力，同时阻力；,左翼上偏，左翼弯度减小，升力，同时阻力；,在大展弦比机翼上较明显，对操纵飞机转弯不利,副翼操纵交叉力矩,式中,副翼操纵交叉导数,其值的正负号要依具体情况而定,+N,2.副翼偏转角a引起的N操纵交叉力矩 偏转副翼是为了操纵,3.,方向舵偏转角,r,引起的,N,航向控制力矩,r,0,，方向舵左偏，立尾产生正侧力，对,oz,轴取矩，得到负的偏航力矩,-N,，表示为,式中,航向操纵导数,，其值为负,4.,滚转角速度,P,引起的,N,交叉动态力矩,（,1,）立尾的作用,P0,立尾有局部侧滑,0,，,产生侧力，,偏航力矩,+,N,3.方向舵偏转角r引起的N 航向控制力矩 r0，方向,（,2,）机翼的作用,P0,右翼下行,，右翼向下的速度增量，相当于机翼不动而气流向上吹，故右翼的迎角增加，升力增加，,阻力增加,与之相反,，,左翼上行,，升力减小，,阻力减小,形成偏航力矩,全机滚转角速度,p,引起的偏舵力矩,式中：,交叉动导数,无因次滚转角速度,偏航力矩,N,，正负不定,（2）机翼的作用P0,右翼下行，右翼向下的速度增量，相当于,5.,偏航角速度,r,引起的,N,航向阻尼力矩,航向阻尼力矩,与纵向、滚转阻尼力矩原理相同。航向阻尼力矩主要由立尾产生，机身也有一定的作用。,r,0,时，前行翼的相对空速增大，阻力增大，,后退翼的相对空速减小，阻力减小，,产生的力矩与,r,的方向相反，故为,阻尼力矩,航向阻尼力矩,式中：,航向阻尼导数,无因次偏航角速度,5.偏航角速度r引起的N航向阻尼力矩 航向阻尼力矩,与纵,四、侧力和侧向力矩表达式,综上所述，由气动力形成的侧力和侧向力矩表示如下,:,几乎每个运动参数都起作用，说明相互的交联较强。,偏转副翼引起的侧力太小，故忽略不计。,另外，非定常导数：,也会产生侧力与侧向力矩，很小，可以忽略。,所有空气动力和力矩都与高度、飞行马赫数,M,有关,控制力,/,力矩,四、侧力和侧向力矩表达式 综上所述，由气动力形成的侧力和侧向,第六节 操纵面的铰链力矩,第六节 操纵面的铰链力矩,第六节 操纵面的铰链力矩,铰链力矩是作用在舵面上的压力,分布的合力对舵面转轴形成的力矩,所有的舵面上都存在,如升降舵的铰链力矩表示为,式中：,C,he,铰链力矩系数，,S,e,一升降舵面积，,升降舵几何平均弦长。,舵面压力分布的合力,R,e,不通过舵面转轴，而是有距离的。设转轴距合力,R,e,的垂直距离是,h,e,，则铰链力矩可写为：,H,e,=-R,e,h,e,第六节 操纵面的铰链力矩铰链力矩是作用在舵面上的压力,第六节 操纵面的铰链力矩（续）,升降舵的铰链力矩系数在平尾迎角及升降舵偏转角都不大的情况下，可表示为,式中 为,铰链力矩导数，,与马赫数,M,有关。,其他舵面的描述相同,人或舵机操纵舵面偏转时，不仅要克服操纵机构的摩擦力和惯性力，而且要克服舵面的铰链力矩。,铰链力矩是,驾驶员和舵机的负载力矩,。,随着飞行速度的提高及尺寸的加大，完全依靠人力操纵舵面已不可能，因而现代飞机上都装有电动或液压助力器。,铰链故障会直接造成飞行控制失控,第六节 操纵面的铰链力矩（续）升降舵的铰链力矩系数在平,第五节内容,侧滑产生侧力,侧向变量：状态量，操纵量,所有侧向变量都产生滚转和偏航力矩,描述公式，各气动导数定义,滚转静稳定性，滚转静稳定导数,C,L,0,第六节内容,铰链力矩的定义、意义与描述,第五节内容侧滑产生侧力,第五节、第六节结束,谢谢,第五节、第六节结束,